4. 次世代ルーティングアーキテクチャに関する研究
4.1 ルータアーキテクチャに関する研究
4.1.1 IPルータにおけるアドレス検索・アクセス制御用カスタムチップの省電力化・低コスト化に関する研究（ルネサステクノロジ株式会社との共同研究）
現在 IP ルータでは，パケット転送のためのアドレス検索やアクセス制御ルールのマッチングのため，TCAM（Ternary CAM）が幅広く使用されている．インターネットの広域的な普及により，今後TCAMへの需要はますます高まると予想されるが，一方で TCAM が本質的に持つ消費電力やコスト，および容量などの制約により，TCAM 容量を今後も増加させていくことは容易ではない．特に，ルータの消費電力が今後社会問題となりつつある現状において，消費電力が大きい TCAM チップについても省電力化が強く求められている．本研究では，これらの TCAM が持つ本質的な問題を抜本的に改善する，新しいカスタムチップの研究開発を目標とし，ネットワークルータの用途に特化することでさらなる低コスト・低消費電力を実現するために，どのような機能を TCAM に付加すべきかについて検討を行っている．
アクセス制御リスト（ACL）をより効率的に保持するための TCAM の構成要素について考える．ACL がTCAM 容量を大量に消費する要因の一つとしてポート番号の範囲指定がある．TCAMを用いたポート番号の範囲指定は容易ではなく，通常2のべき乗による複数のエントリを組み合わせて実現する（これをプレフィックス展開という）．本研究ではプレフィックス展開によるTCAM 消費量の増大を抑制するため，範囲指定回路（RMD; Range Matching Device）を既存のTCAM に組み込んだ改良型TCAM チップを提案する．TCAM 内にRMD を実装することで，外部からは既存のTCAM と同様の利用法を維持しつつ任意の範囲指定を容易にサポートすることが可能となり，トータルとしてハードウェアコストを軽減できることを示した．さらに，RMD の容量が不足した場合においても，範囲指定がより柔軟に行えるようにするため，TCAM にNOT およびAND の演算機能を付加したものについても検討し，通常のOR 演算のみの組み合わせよりもより効率的にACL を管理できることが可能であることを示した．
[関連発表論文]
- Haesung Hwang, Shingo Ata, and Masayuki Murata, “A new TCAM architecture for managing ACL in routers,” submitted for publication, October 2009.
4.1.2 ネットワークトラヒック変動に追従し省電力化を実現するスライス化ルータアーキテクチャに関する研究（ルネサステクノロジ株式会社との共同研究）
ネットワークトラヒックは今なお，爆発的勢いで成長を続け，社会インフラの整備やネットワーク機器の性能の向上は継続的な技術課題となっている．特にネットワーク機器においては，ルータの消費電力が大きな割合を占めており，性能の追及とともにその省電力化が急務である．一般にルータなどのネットワーク機器はトラヒック量の変動に関係なく，常に100%の処理能力で動作し続けることを前提として設計されてきた．その結果，特に夜間や休日など，トラヒック量が少ない場合には，消費電力に大きな無駄が生じる．そこで，トラヒック変動に応じてトラヒックを特定の経路に集約し，不要となった経路上のルータを停止させることによって省電力化を図るトラヒックエンジニアリング技術の研究開発なども進められている．本研究では，ルータの低消費電力化を目的として，ルータアーキテクチャ内部のコンポーネントを小規模の複数スライスに分割し，スライス単位の動作制御に加え，トラヒックに追従可能な復帰時間を優先したホットスタンバイと，復帰時間は長いが電力消費を伴わないコールドスタンバイという２つの待機状態を制御するアーキテクチャを提案する．本研究では，主要な役割を担うメモリベースのLSIのスライス化とLSI待機時について，電力消費を完全に遮断するコールドスタンバイと復帰時間の短いホットスタンバイの導入によって動的な制御を示し，効果的な省電力効果と有効性を示す．
[関連発表論文]
- 岩本久, 井上一成, 阿多信吾, 大谷嗣朗, 長谷川剛, 矢野祐二, 黒田泰斗, 村田正幸, “省電力化を実現するスライス化ルータアーキテクチャ,” 電子情報通信学会情報ネットワーク研究会, March 2011.（発表予定）
4.1.3 ルータによる名前ベースルーティングの実現に関する研究
現在のインターネットアーキテクチャは，設計時代には想定されなかった様々な問題に対処するため，多種の機能が複数のレイヤで混在するなど，複雑化および非効率性が指摘されている．また，これまで固定であることが前提であったIPアドレスについても，移動可能な端末が急速に普及するに従い，端末の識別子としてIPアドレスを用いることが不適切になりつつある（ID/Locator 分離問題）．このような背景から，現在世界レベルで次世代のネットワークアーキテクチャを白紙状態から検討する，クリーンスレートネットワークアーキテクチャに関する研究がなされている．
本研究では，このようなクリーンスレートネットワークアーキテクチャにおいて重要な機能の一つである「意味のある名前（情報）」をアドレスとしたレイヤ3による資源発見メカニズムに関する検討を行っている．その第一段階として，ドメイン名（FQDN）にもとづくルーティングアーキテクチャについて検討を行った．具体的には，ドメイン名をアドレスとしたレイヤ3ルーティング実現のためのルーティングトポロジ構築，ハードウェア資源割り当て，およびドメイン名の分散格納手法に関してそれぞれ提案し，現在登録されている全 FQDN をルータに格納するために必要となるハードウェア資源量，およびルータ数に関する定量評価を行った．その結果，約6.6億個のFQDNを分散格納するのに必要なルータ数は現時点で入手可能はハードウェア資源（TCAM）をしても，1000台オーダー程度で可能であることを示した．ただし，FQDNによるルーティングを行うための論理トポロジー上のルータは，実際に配置されている物理トポロジーのルータとの適切なマッピングが行わなければ，論理トポロジーと物理トポロジーの間に不整合が生じることになる．また，検索効率を向上させるためには，位置情報だけでなく FQDN のアクセス頻度を考慮したルーティングテーブルの再構成が行われることが望ましい．以上の点を考慮し，本研究では名前のアクセス頻度を考慮した論理・物理トポロジマッピング，およびそれを実現するためのルーティングテーブルの再構成のアルゴリズムを提案した．提案方式を用いることで，アクセス頻度や物理情報を考慮しない場合と比較して FQDN の検索効率の向上が確認できた．次に本研究では，その資源名の一例として「トピック名」でのルーティングがアプリケーション層ではなく，ネットワーク層で実現可能であることを論じ，計算機シミュレーションによる実験でその実現可能性を明らかにした．具体的には，既存の IP マルチキャストで使用されているルータのハードウェアが，コンテンツをトピック名で購読するユーザ数が増加した時に対応できない問題点を指摘し，トピック名とユーザ数が zipf 分布である実際のデータベースを用いてコストを抑えつつ検索レイテンシを低減できるメモリ構造を提案した．
[関連発表論文]
- Haesung Hwang, Shingo Ata, and Masayuki Murata, “The impact of FQDN database updates on name-based routing architecture,” in Proceedings of the 5th IEEE/IFIP International Workshop on Broadband Convergence Networks (BcN), pp. 16-21, April 2010.
- Haesung Hwang, Shingo Ata, and Masayuki Murata, “Frequency-aware reconstruction of forwarding tables in name-based routing,” in Proceedings of the 5th International Conference on Future Internet Technologies (CFI), pp. 45-50, June 2010.
- 黄恵聖, 阿多信吾, 村田正幸, “コンテンツセントリックネットワークを可能にするルータによる名前検索テーブルの実現,” 電子情報通信学会情報ネットワーク研究会, March 2011.（発表予定）
- Haesung Hwang, Shingo Ata, and Masayuki Murata, “Realization of name lookup table in routers towards content-centric networks,” submitted for publication, February 2011.
- Haesung Hwang, Shingo Ata, and Masayuki Murata, “Resource name-based routing in the network layer,” submitted for publication, December 2010.
4.2 Unified Multiplex通信アーキテクチャに関する研究（日本電気株式会社との共同研究）
4.2.1 使い捨て可能なサービス専用アドレスを実現するIPv6 Unified Multiplex 通信アーキテクチャの設計，実装および実運用に向けた評価に関する研究
IPv6の導入に伴い，インターネット上の全ての通信ノードにグローバルアドレスが設定でき，IPv4では実現できなかった，真にグローバル通信が可能となる時代を迎えようとしている．そのような通信環境において，セキュリティーに配慮できる新たな通信形態や通信アーキテクチャが求められており，その要求に応えるべく我々は “Unified Multiplex 通信アーキテクチャ”という呼ぶ新たな機構を提案してきた．Unified Multiplex アーキテクチャでは，通信サービスを実現する方法を見直し，既存の方法と大きく異なる，動的に生成し，対象のサービスが存在する間のみ有効で，サービスが終了すれば使い捨てる，そのサービス専用のアドレスSSA（Specific Service Address）などを用いる方法を提唱している．ここでは，IPv6の持つ総当り探索が不可能な広大なアドレス空間の特長に最大限に利用し，サービスごとにそのサービス専用となるアドレスを動的に生成して利用し，サービス終了と共に破棄する方法を用いている．この方法はシンプルな方法でありながら効果が高く，プライバシー保護を含むセキュリティーに配慮できる機構として設計している．
本研究では，Unified Multiplex 通信アーキテクチャの概念，およびそれを実現するためのカーネルおよびユーザコマンド設計開発について検討を行った．特に，既存の通信アーキテクチャの相違点から，Unified Multiplex 通信実現のための技術課題について列挙し，アドレス状態遷移，TCP状態管理などの修正，およびアドレス管理ユーザコマンドの作成によってUnified Multiplex通信が実現可能であることを示した．
[関連発表論文]
- Kazuyuki Nishida, Shingo Ata, Hiroshi Kitamura, and Masayuki Murata, “An unified multiplex commu-nication architecture for simple security enhancements in ipv6 communications,” in Proceedings of 10th Wrzburg Workshop on IP: Joint ITG, ITC, and Euro-NF Workshop “Visions of Future Generation Net-works,” August 2010.
- Shingo Ata, Hiroshi Kitamura, and Masayuki Murata, “Architectural design of unified multiplex commu-nications for one-time use of IP addresses,” in Proceedings of 4th IFIP International Conference on New Technologies, Mobility and Security, February 2011.
- 北村浩, 阿多信吾, 村田正幸, “IPv6 導入環境を改善するIPv4/IPv6混在通信におけるDNS名前解決処理方式,” 電子情報通信学会情報ネットワーク研究会, March 2011.（発表予定）
- Kazuyuki Nishida, “Design and implementation of secure IPv6 communication architecture using non-negotiated specific service addresses,” Master’s thesis, Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University, February 2011.